ES2461853T3 - Dispositivos de fijación para álabes de turbinas de gas - Google Patents

Dispositivos de fijación para álabes de turbinas de gas Download PDF

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ES2461853T3 ES00304596.0T ES00304596T ES2461853T3 ES 2461853 T3 ES2461853 T3 ES 2461853T3 ES 00304596 T ES00304596 T ES 00304596T ES 2461853 T3 ES2461853 T3 ES 2461853T3
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Abstract

Una turbina de gas que comprende: un disco (15) de rotor que tiene una superficie periférica con una pluralidad de ranuras, generalmente en forma de U, espaciadas circunferencialmente (39); una pluralidad de álabes (11) de turbina de entrada axial soportados por el citado disco en localizaciones espaciadas circunferencialmente alrededor del mismo y que forman una porción de una primera etapa de la turbina; teniendo los citados álabes pasajes de refrigeración que se extienden en general radialmente para que un medio de refrigeración fluya en el interior de los álabes; que se caracteriza por una pluralidad de placas (13, teniendo cada una al menos una proyección en forma de U (19) para aplicarse a una ranura en forma de U correspondiente (39) de la citada pluralidad de ranuras de la misma, estando interpuesta cada una de las citadas placas (13) entre un par adyacente de los citados álabes (11) y teniendo extremos (33, 34) para bloquear los citados álabes contra el movimiento axial con relación al citado disco, mediante los cual los pasajes de enfriamiento se dejan libres para que fluya el medio de refrigeración; y una pluralidad de álabes de entrada axial (21) para una segunda etapa de la turbina de gas y soportados por un disco (24) de rotor de segunda etapa sobre una superficie periférica del mismo, una pluralidad de placas (23) para bloquear los citados álabes de la citada segunda fase contra el movimiento axial, estando interpuesta cada una de las citadas placas de bloqueo de segunda etapa entre una porción extrema de un pie de un álabe de segunda etapa correspondiente y el citado disco de rotor de segunda etapa y estando provista de extremos (25, 26) para retener los citados álabes (21) de segunda etapa contra el movimiento axial.

Description

Dispositivos de fijación para álabes de turbinas de gas
La presente invención se refiere a un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas.
En particular, la presente invención se refiere a un dispositivo de fijación para álabes enfriados de turbinas de gas, del tipo utilizado en las primeras etapas de la turbina, que son las etapas más calientes, y un dispositivo de fijación para álabes no enfriados, tales como el utilizado para las etapas posteriores de las turbinas, que son las etapas más frías. Las turbinas de gas con dispositivos de fijación son conocidas por los documentos US 2 643 853, US 2 434 935, US 2 847 187, US 5 584 659, US 4 478 554.
La presente invención también se refiere a placas para fijar los álabes de primera y segunda etapa de las turbinas de gas.
Como es conocido, las turbinas de gas son máquinas que consisten en un compresor y una turbina con una o más etapas, en las que estos componentes están conectados uno con el otro por medio de un árbol rotatorio, y en las que una cámara de combustión está dispuesta entre el compresor y la turbina.
Posteriormente, a través de conductos correspondientes, el gas a alta temperatura, y a alta presión alcanza las diversas etapas de la turbina, que transforma la entalpía del gas en energía mecánica que está disponible para un usuario.
En las turbinas de dos etapas, el gas es procesado en la primera etapa de la turbina en condiciones de temperatura y presión que son bastante elevadas, y sufre una expansión inicial en la misma; mientras que en la segunda etapa de la turbina, sufre una segunda expansión, en condiciones de temperatura y presión que son menores que en el caso anterior.
También se sabe que con el fin de obtener el máximo rendimiento de una turbina de gas específica, la temperatura del gas tiene que ser lo más elevada posible; sin embargo, los valores máximos de temperatura que se pueden obtener en la utilización de la turbina están limitados por la resistencia de los materiales utilizados.
Por lo tanto, debido a las elevadas temperaturas a las que son sometidas, los álabes que se utilizan en la primera etapa de las turbinas deben enfriarse, y para este propósito tienen una superficie que está convenientemente provista de orificios para la refrigeración de la superficie exterior de los conductos, que permiten la circulación de aire dentro del propio álabe.
Además, en la raíz o pie del álabe hay provistos generalmente uno o más conductos con el fin de permitir el suministro y la circulación de aire de refrigeración obtenido desde el compresor.
A diferencia del caso de los álabes de primera etapa, puesto que los álabes de segunda etapa operan con gas a temperaturas más bajas, en general, no tienen estos conductos de aireación en sus pies.
Sin embargo, en ambos casos, un problema que se produce en particular de acuerdo con la técnica conocida es el de garantizar la fijación óptima de los álabes en el disco de rotor, en todas las condiciones operativas de la máquina.
De hecho, se sabe que el sistema para fijar los álabes en el disco de rotor representa un aspecto crucial del diseño de cualquier rotor, teniendo en cuenta el hecho de que este último debe resistir las cargas que son generadas por los álabes, sin que se produzcan roturas u otros inconvenientes similares.
De hecho, durante el funcionamiento de la máquina, se sabe que los álabes del rotor están sometidas a altos niveles de tensiones, tanto radialmente como, en menor medida, axialmente.
Las tensiones radiales son causadas por la alta velocidad de rotación de la turbina, mientras que las tensiones axiales son causadas por el efecto producido por el flujo de gas sobre las superficies perfiladas de los álabes.
El mismo flujo de gas transmite a los álabes el componente circunferencial de la tensión, lo que hace que sea posible acumular potencia útil en el árbol del motor.
Sin embargo, el sistema para fijar los álabes debe tener las dimensiones más pequeñas posibles, con el fin de reducir a las dimensiones más pequeñas posibles el conjunto constituido por el disco de rotor y los álabes.
El objeto de la presente invención es, por tanto, proporcionar un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas, que tiene un bajo costo, y que está compuesto por un número reducido de partes componentes.
El dispositivo de acuerdo con la invención por lo tanto tiene una estructura que es extremadamente simple y compacta.
Otro objeto de la invención consiste en proporcionar un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas, que permite el flujo de entrada de aire necesario para enfriar los álabes de primera etapa de la turbina de gas, sin crear problemas de pérdidas de carga.
Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas que permite un fácil montaje y desmontaje de los álabes de las diferentes etapas de la turbina, según se requiera.
Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas que tenga un alto nivel de fiabilidad.
Un objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas que permita una resistencia óptima a las tensiones axiales que actúan sobre los álabes.
Estos y otros objetos se consiguen por medio de un dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas de acuerdo con la reivindicación 1.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, cada una de las ranuras en forma de U presentes en la superficie del disco de primera etapa de la turbina está situada en una porción exterior del disco, contenida entre dos álabes adyacentes.
De acuerdo con otra realización preferida de la presente invención, cada una de las placas de fijación tiene su propia proyección en forma de U en su propia parte central, mientras que cuando se encuentra en la posición de fijación, tiene un par de extremos, estando doblados ambos 90º con respecto a su propio eje longitudinal.
De acuerdo con una realización preferida adicional de la presente invención, el dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas, del tipo utilizado para la segunda etapa de la turbina, comprende una pluralidad de placas, cada una de las cuales está interpuesta entre la porción extrema del pie de un álabe correspondiente y el disco de segunda etapa de la turbina de gas, y cada una de las cuales está provista de extremos con el fin de fijar axialmente el citado álabe.
De acuerdo con una realización preferida adicional de la presente invención, cuando se ve en sección transversal, las placas de fijación tienen un perfil curvado, con la porción cóncava orientada hacia la cavidad del disco.
De acuerdo con una realización preferida adicional de la presente invención, cuando se ve en sección transversal, las placas tienen una pluralidad de abombamientos, que se proporcionan en varios puntos a lo largo de su propio desarrollo longitudinal.
Otras características de la invención se definen en las reivindicaciones adjuntas a la presente solicitud de patente.
Otros objetos y ventajas de la presente invención serán evidentes del examen de la siguiente descripción y los dibujos adjuntos, que se proporcionan únicamente a modo de ejemplo no limitativo, explicativo, y en los que:
!
la figura 1 muestra una vista, parcialmente en sección transversal, de un álabe para la primera etapa de una turbina de gas, al que se ajusta el dispositivo de fijación de acuerdo con una primera realización de la presente invención;
!
la figura 2 muestra una vista frontal, parcialmente en sección transversal, del disco de primera etapa de una turbina de gas, al que se ajusta el dispositivo de fijación de la realización de la figura 1;
!
la figura 3 muestra una vista lateral de una placa utilizada en el dispositivo de fijación en la realización de la figura 1;
!
la figura 4 muestra una vista en sección transversal de una porción del disco de primera etapa de una turbina de gas, utilizada en el dispositivo de fijación en la realización de la figura 1;
!
la figura 5 muestra una vista, parcialmente en sección transversal, de un álabe para la segunda etapa de una turbina de gas, al que se ajusta el dispositivo de fijación de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;
!
la figura 6 muestra una vista frontal, parcialmente en sección transversal, del disco de segunda etapa de una turbina de gas, al que se ajusta el dispositivo de fijación de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;
!
la figura 7 muestra una vista lateral de una placa utilizada en el dispositivo de fijación en la realización en las figuras 5 -6;
3
! la figura 8 muestra una vista en planta de la placa utilizada en el dispositivo de fijación en la realización en las figuras 5 -6;
! la figura 9 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal IX -IX en la figura 8, de la placa utilizada en el dispositivo de fijación en las realizaciones de las figuras 5 -6;
! la figura 10 muestra una vista lateral de una variante de la placa utilizada en el dispositivo de fijación en la realización en las figuras 5 -6;
! la figura 11 muestra una vista a lo largo de la sección XI -XI en la figura 10, de la variante de la placa utilizada en el dispositivo de fijación mostrado en la figura 10; y
! la figura 12 muestra una vista en sección transversal de una porción del disco de segunda etapa de una turbina de gas utilizado en el dispositivo de fijación en la realización en las figuras 5 -6.
Con referencia particular a las figuras 1 -4, el dispositivo de fijación para álabes de turbina de gas de acuerdo con una primera realización de la presente invención está indicado en su totalidad por el número de referencia 10.
Como es sabido, en las turbinas de gas, los álabes 11 del rotor no son integrales con el disco 15 del rotor, sino que están sujetos en los asientos correspondientes en la circunferencia del disco 15.
Los asientos tienen lados con un perfil ranurado, en los que se aplica la porción extrema 17 del pie 18 del álabe correspondiente 11.
En realizaciones convencionales, estos asientos se extienden en una dirección que es sustancialmente paralela a un eje del disco 15 del rotor. Por otra parte, en otras realizaciones, los asientos se extienden sustancialmente en una dirección que está inclinada con respecto al eje del mismo disco 15 del rotor.
Además, debido a las elevadas temperaturas a las que son sometidas, estos álabes 11 tienen una superficie que está convenientemente provista de orificios para conductos, que permiten la circulación de aire dentro del mismo álabe.
En su pie 17, los álabes 11 también tienen uno o más conductos con el fin de permitir el suministro y la circulación de aire de refrigeración obtenido desde el compresor.
El dispositivo de fijación 10 de acuerdo con la primera realización de la presente invención tiene en cuenta estas características estructurales de los álabes 11 de primera etapa de las turbinas, y comprende una pluralidad de placas 13, cada una de las cuales está provista de una proyección en forma de U, indicada por el número de referencia 19, y un par de extremos 33 y 34.
De manera correspondiente, en la superficie del disco 15 de primera etapa de la turbina, hay presentes unas ranuras en forma de U, una de las cuales está indicada por el número de referencia 39 en la figura 4.
En particular, cada una de las ranuras en forma de U 39 está situada en una porción exterior del disco 15, que está contenido entre dos álabes 11 que son adyacentes una con la otra.
La proyección en forma de U 19, que pertenece a la placa 13, se puede aplicar a una de las ranuras en forma de U correspondientes 39 presentes en la superficie del disco de primera etapa 15, de tal manera que el álabe 13 esté interpuesto entre dos álabes adyacentes 11, con el fin de bloquear axialmente los mismos.
Esta posición particular de las placas 13 permite dejar libre el pasaje para el suministro de aire de refrigeración a los álabes 11, que es obtenido desde el compresor y es transportados hacia el álabe 11, de acuerdo con la dirección de la flecha F en la figura 1.
Más en particular, con el fin de llevar a cabo la fijación de los álabes 11, hay una inserción de la placa de fijación 13, que está doblada por medio de su propia proyección en forma de U 19, de tal manera que se aplique a la ranura en forma de U 39 en el disco de primera etapa 15.
Posteriormente, cada álabe 11 se desliza axialmente a lo largo del brochado del disco 15, que define el asiento ranurado para el pie del álabe 11. Por este medio, los álabes 11 se insertan y se fijan en el disco 15, en caso de que los asientos se extiendan en una dirección que es paralela al eje del disco 15 del rotor, o en caso de que los asientos se extiendan en una dirección que está inclinada con respecto al eje del mismo disco 15.
La placa 13 tiene grandes superficies de contacto con el disco 15, y con dos álabes adyacentes entre los que se encuentra interpuesta, garantizando de este modo el bloqueo fiable, seguro.
La placa 13 tiene un primer extremo 34 que está doblado 90º, y después de que placa de fijación 13 se haya insertado en la posición, el segundo extremo 33 de la placa 13 también se dobla 90º, de manera que dos álabes adyacentes 11 están bloqueados axialmente por este medio.
Esta disposición hace que sea posible evitar la obstrucción de la parte inferior del pie, que se utiliza para el suministro del aire de refrigeración.
De hecho, se observará que el sellado entre la porción extrema 17 del pie 18 del álabe 11 y el disco 15 es proporcionado por medio de las superficies 14, mientras que la admisión inferior del aire de refrigeración para el álabe 11 se deja libre.
Finalmente, se observará que el sistema de fijación descrito es extremadamente simple y económico.
Con particular referencia a las figuras 5 -12, el dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas de acuerdo con una realización adicional de la presente invención se indica en su totalidad por el número de referencia 20.
Este dispositivo está diseñado para ser utilizado para la fijación de los álabes de segunda etapa de la turbina.
En general, los álabes 23 de segunda etapa de la turbina no necesitan ser enfriados de tal manera que requieran un suministro de aire desde abajo, y por lo tanto, el dispositivo de fijación utilizado en este caso tiene algunas diferencias en comparación con la realización precedente.
En particular, el dispositivo 20 comprende una pluralidad de placas 23, cada una de las cuales está interpuesta entre la porción extrema 22 del pie 27 de un álabe de segunda etapa correspondiente 21, y el disco 24 de segunda etapa de la turbina de gas.
Cada una de las placas 23 se inserta dentro de la cavidad o asiento ranurado en el disco 24, en el que se inserta el álabe correspondiente 21, y está provista de dos extremos opuestos, que se indican, respectivamente, por los números de referencia 25 y 26, y son utilizado para retener axialmente el álabe 21.
Se apreciará que cada uno de los extremos 25 y 26 de las placas 23 tiene dimensiones que son mayores que la cavidad en el disco 24, dentro de la cual se inserta el álabe correspondiente 21.
Las placas de fijación 23 tienen una forma que está diseñada específicamente para esta aplicación, en la que, en particular, se puede ver una sección longitudinal 28, que tiene un extremo 26 que se dobla 90º, antes de que el álabe 21 sea ajustado.
También se puede ver que los extremos 25 y 26 de las placas 23 tienen una forma de la superficie lobulada.
Cuando se ve en sección transversal, las placas 23 tienen un perfil curvado, con la porción cóncava 29 orientada hacia la cavidad del disco 24.
De acuerdo con una realización variante, cuando se ve en sección transversal, las placas 43 tienen una pluralidad de abombamientos 49, que se producen en varios puntos a lo largo de su propio desarrollo longitudinal 48; en el ejemplo de la figura 10 hay presentes tres abombamientos 49.
También en este caso, los extremos 45 y 46 de las placas de fijación 43 tienen una forma de la superficie lobulada y un perfil curvado, con la parte cóncava 41 orientada hacia la cavidad del disco 24.
En el caso de los álabes de segunda etapa de la turbina, el álabe no se enfría, de tal manera que la porción extrema 22 del pie 27 se puede utilizar con el fin de bloquear el álabe axialmente.
Como en el caso de las álabes de primera etapa de la turbina, la álabe 21 se desliza axialmente dentro de la cavidad
o asiento que tiene lados con un perfil ranurado, que se forma mediante la realización del brochado correspondiente del disco 24.
Sin embargo, el álabe de fijación 23, que tiene un extremo 26 que ya está doblado, se inserta previamente en la cavidad entre la porción extrema 22 del pie 27 del álabe 21 y el disco 24 de la turbina de gas.
Cuando se dobla el otro extremo de la placa 23, esto bloquea el álabe axialmente, debido a que estos bordes extremos 25 y 26 son mayores que la cavidad entre la porción extrema 22 del pie 27 del álabe 21 y el disco 24, y tienen extremos que se apoyan contra el mismo disco 24.
También en este caso, la simplicidad extrema y la viabilidad económica del sistema de fijación descrito son evidentes.
La descripción proporcionada hace evidente las características y ventajas del dispositivo de fijación de álabes para turbinas de gas que es el objeto de la presente invención.
En particular, las ventajas consisten en primer lugar, en un excelente rendimiento de sellado, que se obtiene sin disminuir el flujo de aire que es necesario para enfriar los álabes de primera etapa de la turbina de gas.
5 El dispositivo de fijación de acuerdo con la presente invención también hace que sea posible evitar pérdidas de carga indeseables, al mismo tiempo que es económico de producir, y que tiene una estructura que es extremadamente simple y compacta.
Por último, es evidente que se pueden hacer muchas variantes en el dispositivo de fijación para álabes de turbinas de gas que es el objeto de la presente invención, sin apartarse de los principios de novedad que son inherentes en
10 el concepto de la invención.
Por último, es evidente que cualesquiera materiales, formas y dimensiones pueden ser utilizados, según se requiera, en la realización práctica de la invención, y pueden ser sustituidos por otros que sean técnicamente equivalentes.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Una turbina de gas que comprende: un disco (15) de rotor que tiene una superficie periférica con una pluralidad de ranuras, generalmente en forma de U, espaciadas circunferencialmente (39); una pluralidad de álabes (11) de turbina de entrada axial soportados por el citado disco en localizaciones espaciadas circunfe
    5 rencialmente alrededor del mismo y que forman una porción de una primera etapa de la turbina; teniendo los citados álabes pasajes de refrigeración que se extienden en general radialmente para que un medio de refrigeración fluya en el interior de los álabes; que se caracteriza por una pluralidad de placas (13, teniendo cada una al menos una proyección en forma de U (19) para aplicarse a una ranura en forma de U correspondiente (39) de la citada pluralidad de ranuras de la misma, estando interpuesta cada una de las citadas
    10 placas (13) entre un par adyacente de los citados álabes (11) y teniendo extremos (33, 34) para bloquear los citados álabes contra el movimiento axial con relación al citado disco, mediante los cual los pasajes de enfriamiento se dejan libres para que fluya el medio de refrigeración; y una pluralidad de álabes de entrada axial (21) para una segunda etapa de la turbina de gas y soportados por un disco (24) de rotor de segunda etapa sobre una superficie periférica del mismo, una pluralidad de placas (23) para bloquear los citados ála
    15 bes de la citada segunda fase contra el movimiento axial, estando interpuesta cada una de las citadas placas de bloqueo de segunda etapa entre una porción extrema de un pie de un álabe de segunda etapa correspondiente y el citado disco de rotor de segunda etapa y estando provista de extremos (25, 26) para retener los citados álabes (21) de segunda etapa contra el movimiento axial.
  2. 2. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que cada una de las ranuras en forma de U
    20 (39) en el disco (15) de la citada primera etapa de la turbina está situada a lo largo de una porción exterior del disco entre un par de álabes adyacentes.
  3. 3. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que cada una de las citadas proyecciones en forma de U (19) a lo largo de cada una de las citadas placas se encuentra a lo largo de una porción central de la longitud de cada una de las citadas placas (13).
    25 4. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 3, en la que cada una de las citadas placas de fijación tiene extremos opuestos (33, 34) que se proyectan generalmente 90º con respecto a un eje de la placa.
  4. 5. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el citado disco (24) de rotor de segunda etapa tiene una pluralidad de cavidades alrededor del mismo para recibir porciones de los citados álabes de segunda etapa, teniendo los citados extremos (25, 26) dimensiones mayores que la cavidad del disco en la
    30 cual se recibe el pie correspondiente de un álabe de segunda fase para bloquear los citados álabes contra el movimiento axial.
  5. 6.
    Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los citados extremos (25, 26) de las citadas placas de segunda etapa tienen superficies lobuladas.
  6. 7.
    Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que citadas placas (23) para la citada segunda
    35 etapa tienen un perfil curvado que se extiende en una dirección generalmente axial y tienen una superficie cóncava (29) que se extiende axialmente que está orientada hacia fuera hacia la cavidad del disco de rotor de segunda etapa.
  7. 8. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que cada una de las placas (23) de segunda
    etapa tiene una pluralidad de abombamientos (49) en lugares espaciados a lo largo de la extensión longitu40 dinal de las citadas placas de segunda etapa.
  8. 9. Una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el citado disco (24) de rotor de segunda etapa tiene una pluralidad de cavidades alrededor del mismo para recibir porciones de los citados álabes de segunda etapa, teniendo los citados extremos (25, 26) de la placa dimensiones mayores que la cavidad del disco en el que se recibe el pie correspondiente de un álabe para bloquear los citados álabes contra el mo
    45 vimiento axial, teniendo las citadas placas para la segunda etapa un perfil curvado que se extiende en una dirección generalmente axial y teniendo una superficie cóncava que se extiende axialmente (29) que está orientada hacia fuera hacia la cavidad del disco de rotor de segunda etapa, teniendo cada una de las placas de segunda etapa una pluralidad de abombamientos (49) en lugares espaciados a lo largo de la extensión longitudinal de las citadas placas de segunda etapa.
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